一种高效制备双重防腐合金的装置和加工方法

1.本发明涉及金属表面加工领域，特别涉及一种高效制备双重防腐合金的装置和加工方法。


背景技术：

2.铝合金具有密度低、塑性好、耐腐蚀等优点，在诸多工业领域应用广泛，具有重要的研究和应用价值。虽然合金材料在多种环境下具有良好的耐腐蚀性，但海水及海洋大气等苛刻环境中所含cl-会造成合金自身材料变薄，强度降低，有时发生局部穿孔或断裂，甚至使结构破坏制约其进一步的应用和发展。但是，随着工业化的发展，复杂恶劣的服役环境对铝合金提出了更高的要求，因此采用合适的表面防护方法是非常有必要的。激光冲击作用在基材表面产生塑性变形，引入残余压力，诱导产生应变强化层。同时，aln涂层具有高强度、低密度、抗腐蚀的特点。但常规制备aln涂层是利用氧化铝和碳在n2环境中高温烧制或直接氮化金属铝来制备，该方法容易引入碳或氧化铝杂质，且不易与基板复合使用。另一种方法是物理或化学气相沉积，一般采用磁控溅射工艺直接在基板上制备al/aln涂层，该方法可制备纯净、致密的al/aln涂层，但其沉积效率低，难以沉积厚涂层，这会降低al/aln材料的性能。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种高效制备双重防腐合金的装置和加工方法，首先向反应仓内填充氮气并利用电场分离氮气为氮离子，然后通过激光系统对表面铺设有铝粉的基材进行激光冲击，在合金表面形成应变强化层，与此同时激光冲击所产生的热效应使铝粉达到熔融状态与氮离子反应，在基材表面形成aln沉积涂层。仅通过一步激光冲击，通过热力耦合使基材表面不仅形成aln沉积涂层，同时使基材内部晶粒细化，形成应变强化层，对基材表面进行了双重防腐处理。
4.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
5.一种高效制备双重防腐合金的装置，包括反应仓、高压电源、送粉装置、激光系统和供氮系统，所述反应仓内放置基材，所述送粉装置用于在基材表面铺设铝粉；所述供氮系统用于向反应仓内填充氮气；所述高压电源的负极与基材连接，所述高压电源的正极与反应仓顶部连接，所述高压电源通过形成垂直于基材表面的电场，用于将氮气电离为氮离子；所述激光系统通过对基材表面激光冲击，用于使基材表面形成应变强化层和aln沉积涂层。
6.进一步，所述反应仓外部设有废气回收装置，所述废气回收装置连接所述反应仓出气口，用于回收反应仓中的废气。
7.进一步，所述供氮系统包括氮气瓶和n2环，所述氮气瓶连接反应仓进气口，用于向反应仓内填充氮气；所述n2环位于基材表面上方，用于增加基材附近的氮离子浓度。
8.进一步，所述n2环为空心环，所述空心环一端与氮气瓶连接，所述空心环上设有若干喷射孔，所述喷射孔对准基材表面，用于增加基材上表面附近的氮离子浓度。
9.进一步，所述激光系统包括纳秒平顶激光器、反射镜和聚焦镜，所述纳秒平顶激光器发出的激光通过反射镜和聚焦镜聚焦在基材表面。
10.进一步，所述反应仓内设有三轴加工平台，所述基材放置于三轴加工平台上。
11.一种高效制备双重防腐合金的装置的加工方法，包括如下步骤：
12.将基材放置于反应仓内；在所述基材表面均匀铺设铝粉；
13.对所述反应仓抽真空，同时向所述反应仓内填充氮气；
14.通过在所述反应仓内设置垂直于所述基材表面的电场，使氮气电离成氮离子；
15.对所述基材表面进行激光冲击，使所述基材表面形成强化应变层和aln沉积涂层。
16.进一步，通过调节n2浓度与铝粉的含量，调节aln涂层厚度。
17.本发明的有益效果在于：
18.1.本发明所述的高效制备双重防腐合金的装置和加工方法，利用激光冲击对合金表面进行双重防腐处理，仅通过一步激光冲击，通过热力耦合使基材表面不仅形成aln沉积涂层，同时使基材内部晶粒细化，形成应变强化层，对基材表面进行了双重防腐处理，有效降低了加工成本。
19.2.本发明所述的高效制备双重防腐合金的装置和加工方法，能够适用于不同的金属材料，稳定性强，应用范围广。
20.3.本发明所述的高效制备双重防腐合金的装置和加工方法，在反应仓中设置三轴加工平台，将基材放置于三轴加工平台上，能够对形状较为复杂的零件进行双重防腐处理。
21.4.本发明所述的高效制备双重防腐合金的装置和加工方法，通过n2环为空心的不锈钢环，环内侧出气孔均匀分布，用于增加基材周围的氮离子浓度，提高沉积反应速率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明所述高效制备双重防腐合金的装置结构示意图。
24.图中：
25.1-计算机；2-高压电源；3-三维信息采集器；4-反射镜；5-纳秒平顶激光器；6-氮气瓶；7-聚焦镜；8-n2环；9-铝粉；10-基材；11-三轴加工平台；12-运动控制器；13-废气回收装置；14-反应仓；15-氮离子。
具体实施方式
26.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.如图1所示，本发明所述的高效制备双重防腐合金的装置包括反应仓14、高压电源2、送粉装置、激光系统和供氮系统。所述反应仓14内设有三轴加工平台11，基材10放置于三轴加工平台11上，用于实现基材10的位置调节；所述送粉装置用于在基材10表面铺设铝粉9；所述高压电源2的正负两极分别连接反应仓14的两侧，所述高压电源2的负极连接在反应仓14放置基材10的一侧，所述高压电源2的正极连接在反应仓14放置基材的对侧，依靠这样的连接，能够在反应仓14内形成垂直于基材10表面的电场。
31.所述供氮系统包括氮气瓶6和n2环8，所述氮气瓶6与反应仓14的进气口连接，向反应仓14内填充氮气，氮气在反应仓14内的电场作用下电离成氮离子15，正极的氮离子15向电场的负极移动，可以吸附在负极的基材表面，在激光冲击中可与受激光冲击热效应至熔融的铝粉反应；所述n2环8为空心的不锈钢环，且在环身上均匀设有若干侧出气孔，所述n2环8设于反应仓14内的基材10表面附近并通过管道连接至氮气瓶6，用于增加基材10表面周围的氮离子浓度，提高反应速率。
32.所述激光系统包括纳秒平顶激光器5、反射镜4和聚焦镜7，所述纳秒平顶激光器5诱导的应力波纵向传播为主，处理后的表面形貌平坦，基材10内部的残余应力场更加均匀；所述纳秒平顶激光器5发出的激光经过反射镜4的反射和聚焦镜7的聚焦照射至基材10的表面，对基材10表面进行激光冲击，激光冲击基材10表面形成塑性变形，诱导内部晶粒细化并引入残余压应力，与此同时，激光冲击产生的热效应促进铝粉9与氮离子15在基材10表面形成aln沉积涂层，仅进行一步激光冲击，通过热力耦合使基材10表面不仅产生aln沉积涂层，同时使基材10内部晶粒细化、在基材10表面产生应变强化层。
33.本发明所述的高效制备双重防腐合金的装置还包括控制系统，所述控制系统为计算机1，所述计算机1连接并控制高压电源2和激光系统；所述计算机1还通过运动控制器12连接三轴加工平台11，能够控制三轴加工平台11完成较为复杂零件的双重防腐处理；所述反应仓14内安装n2氮气浓度传感器，n2氮气浓度传感器位于基材上表面附近，所述计算机1根据n2氮气浓度传感器检测值确定是否使氮气瓶6与n2环8导通，所述计算机1通过调节反应仓14内的氮气浓度和铺设在基材10表面的铝粉9含量，实现aln沉积涂层厚度调节；此外所述计算机1还外接有三维信息采集机3，用于检测基材10表面aln沉积涂层的沉积情况。所述反应仓14的外部设有废气回收装置13，所述废气回收装置13连接所述反应仓14的出气口，
用于回收反应仓14中的废气。
34.本发明所述的高效制备双重防腐合金的装置的加工方法，包括如下步骤：
35.将试样规格为40mm
×
40mm
×
5mm的基材10用砂纸进行打磨平整并放置于无水乙醇中用超声波清洗基材表面后夹装在设于反应仓14内的三轴加工平台11上。
36.在基材10表面均匀铺设铝粉9，利用铝粉作为吸收层；
37.对反应仓14内进行抽真空处理，并通过氮气瓶6向反应仓14内填充氮气，抽真空和填充氮气需要循环多次，用于降低反应仓14内其他杂质的含量，从而有效减少aln沉积涂层中污染物的含量。
38.通过控制系统启动高压电源2，高压电源2在反应仓14内形成垂直于基材10表面的电场，将氮气电离成氮离子15。
39.通过控制系统启动激光系统，对基材表面进行无约束层的激光冲击处理，激光冲击基材10表面形成塑性变形，诱导内部晶粒细化，引入残余压应力，形成应变强化层。与此同时，激光冲击产生的热效应促进铝粉9与氮离子15在基材10表面形成aln沉积涂层，仅进行一步激光冲击，通过热力耦合使基材10表面不仅产生aln沉积涂层，同时使基材10内部晶粒细化、在基材10表面产生应变强化层。
40.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
41.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高效制备双重防腐合金的装置，其特征在于，包括反应仓(14)、高压电源(2)、送粉装置、激光系统和供氮系统，所述反应仓(14)内放置基材(10)，所述送粉装置用于在基材(10)表面铺设铝粉(9)；所述供氮系统用于向反应仓(14)内填充氮气；所述高压电源(2)的负极与基材(10)连接，所述高压电源(2)的正极与反应仓(14)顶部连接，所述高压电源(2)通过形成垂直于基材(10)表面的电场，用于将氮气电离为氮离子(15)；所述激光系统通过对基材(10)表面激光冲击，用于使基材(10)表面形成应变强化层和aln沉积涂层。2.根据权利要求1所述的高效制备双重防腐合金的装置，其特征在于，所述反应仓(14)外部设有废气回收装置(13)，所述废气回收装置(13)连接所述反应仓(14)出气口，用于回收反应仓(14)中的废气。3.根据权利要求1所述的高效制备双重防腐合金的装置，其特征在于，所述供氮系统包括氮气瓶(6)和n2环(8)，所述氮气瓶(6)连接反应仓(14)进气口，用于向反应仓(14)内填充氮气；所述n2环(8)位于基材(10)表面上方，用于增加基材附近的氮离子浓度。4.根据权利要求3所述的高效制备双重防腐合金的装置，其特征在于，所述n2环(8)为空心环，所述空心环一端与氮气瓶(6)连接，所述空心环上设有若干喷射孔，所述喷射孔对准基材(10)表面，用于增加基材上表面附近的氮离子浓度。5.根据权利要求1所述的高效制备双重防腐合金的装置，其特征在于，所述激光系统包括纳秒平顶激光器(5)、反射镜(4)和聚焦镜(7)，所述纳秒平顶激光器(5)发出的激光通过反射镜(4)和聚焦镜(7)聚焦在基材(10)表面。6.根据权利要求1所述的高效制备双重防腐合金的装置，其特征在于，所述反应仓(14)内设有三轴加工平台(11)，所述基材(10)放置于三轴加工平台(11)上。7.一种根据权利要求1-6任一项所述的高效制备双重防腐合金的装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：将基材(10)放置于反应仓(14)内；在所述基材(10)表面均匀铺设铝粉(9)；对所述反应仓(14)抽真空，同时向所述反应仓(14)内填充氮气；通过在所述反应仓(14)内设置垂直于所述基材(10)表面的电场，使氮气电离成氮离子(15)；对所述基材(10)表面进行激光冲击，使所述基材(10)表面形成强化应变层和aln沉积涂层。8.根据权利要求7所述的高效制备双重防腐合金的装置的加工方法，其特征在于，通过调节n2浓度与铝粉的含量，调节aln涂层厚度。

技术总结
本发明提供了一种高效制备双重防腐合金的装置和加工方法，包括反应仓、高压电源、激光系统和供氮系统，所述反应仓内放置基材，所述基材表面均匀铺设有铝粉；所述供氮系统向反应仓内填充氮气；所述高压电源的负极连接反应仓放置基材的一侧，所述高压电源的正极连接反应仓放置基材的对侧，用于形成垂直于基材表面的电场，分离氮气为氮离子；所述激光系统对基材表面进行激光冲击，本发明通过热力耦合使基材表面不仅形成AlN沉积涂层，同时使基材内部晶粒细化，形成应变强化层，对基材表面进行了双重防腐处理。重防腐处理。重防腐处理。


技术研发人员：任旭东 陈健 童照鹏 张宇泽 唐亮 万文彬 杨达 罗忠森
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/18